ในอุณหพลศาสตร์ของไหลการเดือดแบบนิวเคลียส (nucleate boiling)เป็นการเดือดชนิดหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิพื้นผิวสูงกว่า อุณหภูมิ อิ่มตัวของของเหลวในระดับหนึ่ง แต่ฟลักซ์ความร้อนต่ำกว่าฟลักซ์ความร้อนวิกฤตสำหรับน้ำ ดังแสดงในกราฟด้านล่าง การเดือดแบบนิวเคลียสเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิพื้นผิวสูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัว ( TS ₎ระหว่าง 10 ถึง 30 °C (18 ถึง 54 °F) ฟลักซ์ความร้อนวิกฤตคือจุดสูงสุดบนเส้นโค้งระหว่างการเดือดแบบนิวเคลียสและการเดือดแบบเปลี่ยนผ่าน การถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวไปยังของเหลวจะมากกว่าการเดือดแบบฟิล์ม (film boiling )

การเดือดแบบนิวเคลียสเป็นเรื่องปกติในกาต้มน้ำไฟฟ้าและเป็นสาเหตุของเสียงที่เกิดขึ้นก่อนที่น้ำจะเดือด นอกจากนี้ยังเกิดขึ้นในหม้อต้มน้ำที่น้ำถูกทำให้ร้อนอย่างรวดเร็วด้วย

สามารถแบ่งช่วงการเดือดแบบนิวเคลียสออกเป็นสองช่วงที่แตกต่างกันได้ เมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิอยู่ระหว่างประมาณ 4 ถึง 10 °C (7.2 ถึง 18.0 °F) เหนือ T _Sฟองอากาศขนาดเล็กจะก่อตัวขึ้นที่ จุดเริ่มต้นของ การเดือดและแยกตัวออกจากพื้นผิว การแยกตัวนี้ทำให้เกิดการผสมของของเหลวอย่างมากใกล้กับพื้นผิว ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพา ความร้อน และฟลักซ์ความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมาก ในช่วงนี้ การถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เกิดขึ้นจากการถ่ายเทโดยตรงจากพื้นผิวไปยังของเหลวที่เคลื่อนที่อยู่บนพื้นผิว ไม่ใช่ผ่าน ฟองไอ น้ำที่ลอยขึ้นจากพื้นผิว

ในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 10 ถึง 30 องศาเซลเซียส (18 ถึง 54 องศาฟาเรนไฮต์) เหนืออุณหภูมิวิกฤต (TS ₎อาจสังเกตเห็นรูปแบบการไหลแบบที่สองได้ เมื่อมีจุดเริ่มต้นของการเกิดฟองอากาศมากขึ้น การเกิดฟองอากาศที่เพิ่มขึ้นจะทำให้ฟองอากาศรบกวนและรวมตัวกัน ในบริเวณนี้ ไอน้ำจะพุ่งออกมาเป็นลำหรือเป็นลำ แล้วรวมตัวกันเป็นก้อนไอน้ำในที่สุด

การรบกวนระหว่างฟองอากาศที่มีความหนาแน่นสูงจะยับยั้งการเคลื่อนที่ของของเหลวใกล้พื้นผิว ซึ่งสังเกตได้จากกราฟเป็นการเปลี่ยนแปลงทิศทางของความชันหรือจุดเปลี่ยนความชันในเส้นโค้งการเดือด หลังจากจุดนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจะเริ่มลดลงเมื่ออุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นต่อไป แม้ว่าผลคูณของค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนและผลต่างของอุณหภูมิ (ฟลักซ์ความร้อน) จะยังคงเพิ่มขึ้นก็ตาม

เมื่อการเพิ่มขึ้นสัมพัทธ์ของความแตกต่างของอุณหภูมิสมดุลกับการลดลงสัมพัทธ์ของสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน จะได้ค่าฟลักซ์ความร้อนสูงสุด ดังที่เห็นได้จากจุดสูงสุดในกราฟ นี่คือฟลักซ์ความร้อนวิกฤต ณ จุดสูงสุดนี้ ไอน้ำจะก่อตัวขึ้นเป็นจำนวนมาก ทำให้ของเหลวไม่สามารถเปียกพื้นผิวเพื่อรับความร้อนจากพื้นผิวได้อย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ฟลักซ์ความร้อนลดลงหลังจากจุดนี้ ในสภาวะสุดขั้วจะสังเกตเห็น การเดือดแบบฟิล์ม หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ ปรากฏการณ์ไลเดนฟรอส ต์

กระบวนการก่อตัวของฟองไอน้ำ ภายในของเหลวในช่องว่างขนาดเล็กที่อยู่ติดกับผนัง เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของผนังที่ พื้นผิว ถ่ายเทความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิอิ่มตัวในขณะที่ของเหลวส่วนใหญ่ ( เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ) มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเดือด ฟองอากาศจะเติบโตจนถึงขนาดวิกฤต จากนั้นจะแยกตัวออกจากผนังและถูกพาเข้าไปใน กระแส ของเหลว หลัก ที่นั่นฟองอากาศจะยุบตัวลงเนื่องจากอุณหภูมิของของเหลวส่วนใหญ่ไม่สูงเท่ากับที่พื้นผิวถ่ายเทความร้อนซึ่งเป็นจุดที่เกิดฟองอากาศ การยุบตัวนี้ยังเป็นสาเหตุของเสียงที่กาต้มน้ำผลิตขึ้นในระหว่างการต้มน้ำ แต่ก่อนถึงอุณหภูมิที่ของเหลวส่วนใหญ่เดือด

การถ่ายเทความร้อนและการถ่ายเทมวลระหว่างการเดือดแบบนิวเคลียสมีผลอย่างมากต่ออัตราการถ่ายเทความร้อน กระบวนการถ่ายเทความร้อนนี้ช่วยให้การนำพลังงานที่เกิดขึ้นที่พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนออกไปได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาในบางครั้ง เช่น ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ซึ่งใช้ของเหลวเป็นสารหล่อเย็น

ปรากฏการณ์การเดือดแบบนิวเคลียสเกิดขึ้นในสองตำแหน่ง:

• ส่วนต่อประสานระหว่างของเหลวกับผนัง
• ส่วนติดต่อระหว่างฟองอากาศกับของเหลว

กระบวนการเดือดแบบนิวเคลียสมีลักษณะที่ซับซ้อน การศึกษาเชิงทดลองจำนวนจำกัดให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีค่าเกี่ยวกับปรากฏการณ์การเดือด อย่างไรก็ตาม การศึกษาเหล่านี้มักให้ข้อมูลที่ขัดแย้งกันเนื่องจากการคำนวณภายใน (สถานะของความโกลาหลในของเหลวไม่สอดคล้องกับ วิธีการคำนวณทางเทอร์ โมไดนามิก แบบคลาสสิก จึงให้ค่าส่งคืนที่ไม่ถูกต้อง) และยังไม่ได้ให้ข้อสรุปที่แน่ชัดเพื่อพัฒนารูปแบบและความสัมพันธ์ ปรากฏการณ์การเดือดแบบนิวเคลียสยังคงต้องการความเข้าใจเพิ่มเติม^{[ 1 ]}

ระบอบการเดือดแบบนิวเคลียสมีความสำคัญต่อวิศวกรเนื่องจาก สามารถ ถ่ายเทความร้อนได้ สูง ด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิปานกลาง ข้อมูลสามารถเชื่อมโยงกันได้ด้วยสมการในรูปแบบ^{[ 2 ]}

${\displaystyle \mathrm {Nu} _{b}=C_{fc}(\mathrm {Re} _{b},\mathrm {Pr} _{L})}$

โดยที่Nuคือเลข Nusseltซึ่งนิยามไว้ดังนี้:

${\displaystyle \mathrm {Nu} _{b}={\frac {(q/A)D_{b}}{(T_{s}-T_{\mathrm {sat} })k_{L}}}}$

ที่ไหน:

• q / Aคือฟลักซ์ความร้อนรวม
• Db คือเส้นผ่านศูนย์กลางฟองอากาศสูงสุดขณะที่ฟอง _{อากาศ}เริ่มลอยขึ้นจากผิวน้ำ
• T _s – T _satคืออุณหภูมิส่วนเกิน
• kL _คือค่าการนำความร้อนของของเหลว
• Pr _Lคือเลขแพรนดท์ของของเหลว
• Re _bคือเลขเรย์โนลด์ของ ฟองอากาศ โดยที่: ${\displaystyle \mathrm {Re} _{b}={\tfrac {D_{b}G_{b}}{\mu _{L}}},}$
  • Gbคือความเร็วเฉลี่ยของมวลไอที่ออกจากพื้น_ผิว
  • μL _คือ ค่า ความหนืดของของเหลว

Rohsenow ได้พัฒนาความสัมพันธ์แรกและที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดสำหรับการเดือดแบบนิวเคลียส^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\frac {q}{A}}=\mu _{L}h_{fg}\left[{\frac {g(\rho _{L}-\rho _{v})}{\sigma }}\right]^{\frac {1}{2}}\left[{\frac {c_{pL}\left(T_{s}-T_{\mathrm {sat} }\right)}{C_{sf}h_{fg}\mathrm {Pr} _{L}^{n}}}\right]^{3}}$

ที่ไหน:

• c _pLคือความร้อนจำเพาะของของเหลว
• C _sfคือค่าการผสมผสานของของเหลวบนพื้นผิว และจะแตกต่างกันไปตามการผสมผสานของของเหลวและพื้นผิวต่างๆ
• σคือแรงตึงผิวของรอยต่อระหว่างของเหลวและไอ

ตัวแปรnขึ้นอยู่กับส่วนผสมของของเหลวบนพื้นผิว และโดยทั่วไปจะมีค่าเป็น 1.0 หรือ 1.7 ตัวอย่างเช่น น้ำและนิกเกลจะมีค่าC _sfเท่ากับ 0.006 และค่า nเท่ากับ 1.0

ค่าของสำหรับชุดของเหลวพื้นผิวต่างๆ^{[ 3 ]}${\displaystyle C_{sf}}$

การผสมผสานของของเหลวบนพื้นผิว	${\displaystyle C_{sf}}$
น้ำ/ทองแดง	0.013
น้ำ/นิกเกิล	0.006
น้ำ/แพลทินัม	0.013
น้ำ/ทองเหลือง	0.006
ทำจากสแตนเลสขัดเงาด้วยเครื่องจักร	0.0132
น้ำ/สแตนเลส กัดด้วยสารเคมี	0.0133
เหล็กกล้าไร้สนิม/น้ำ ขัดเงาอย่างดี	0.0080
ซีซีแอล4 /ทองแดง	0.013
เบนซีน/โครเมียม	0.0101
เอ็น-เพนเทน/โครเมียม	0.015
เอทิลแอลกอฮอล์/โครเมียม	0.0027
ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์/ทองแดง	0.0025
เอ็น-บิวทิลแอลกอฮอล์/ทองแดง	0.003

หากฟลักซ์ความร้อนของระบบเดือดสูงกว่าฟลักซ์ความร้อนวิกฤต (CHF) ของระบบ ของเหลวส่วนใหญ่อาจเดือด หรือในบางกรณีบริเวณของของเหลวส่วนใหญ่อาจเดือดเมื่อของเหลวไหลในช่องเล็กๆ ดังนั้นจึงเกิดฟองอากาศขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งบางครั้งอาจปิดกั้นทางเดินของของเหลว ส่งผลให้เกิดการเบี่ยงเบนจากการเดือดแบบนิวเคลียส ( DNB ) ซึ่งฟองไอน้ำจะไม่แยกตัวออกจากพื้นผิวของแข็งของช่องอีกต่อไป ฟองอากาศจะครอบงำช่องหรือพื้นผิว และฟลักซ์ความร้อนจะลดลงอย่างมาก ไอน้ำทำหน้าที่เป็นฉนวนกั้นของเหลวส่วนใหญ่จากพื้นผิวที่ร้อน^{[ 4 ]}

ในระหว่างปรากฏการณ์ DNB อุณหภูมิพื้นผิวจึงต้องเพิ่มขึ้นสูงกว่าอุณหภูมิของของเหลวโดยรวมอย่างมาก เพื่อรักษาอัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูง การหลีกเลี่ยงค่า CHF เป็นปัญหาทางวิศวกรรมในการใช้งานด้านการถ่ายเทความร้อน เช่น ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งแผ่นเชื้อเพลิงต้องไม่ร้อนเกินไป ในทางปฏิบัติสามารถหลีกเลี่ยง DNB ได้โดยการเพิ่มความดันของของเหลว เพิ่มอัตราการไหลหรือโดยการใช้ของเหลวโดยรวมที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าซึ่งมีค่า CHF สูงกว่า อย่างไรก็ตาม หากอุณหภูมิของของเหลวโดยรวมต่ำเกินไปหรือความดันของของเหลวสูงเกินไป การเดือดแบบนิวเคลียสก็จะไม่เกิดขึ้น

DNB หรือที่รู้จักกันในชื่อการเดือดแบบเปลี่ยนผ่าน (transition boiling) , การเดือดแบบฟิล์มไม่เสถียร (unstable film boiling ) และการเดือดแบบฟิล์มบางส่วน (partial film boiling ) สำหรับการเดือดของน้ำดังแสดงในกราฟ การเดือดแบบเปลี่ยนผ่านเกิดขึ้นเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและน้ำเดือดอยู่ที่ประมาณ 30 ถึง 130 °C (54 ถึง 234 °F) สูงกว่า T _Sซึ่งสอดคล้องกับจุดสูงสุดและจุดต่ำสุดบนเส้นโค้งการเดือด จุดต่ำสุดระหว่างการเดือดแบบเปลี่ยนผ่านและการเดือดแบบฟิล์มคือจุดไลเดนฟรอสต์ (Leidenfrost point )

ในระหว่างการเดือดแบบเปลี่ยนสถานะของน้ำ การเกิดฟองเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนฟิล์มหรือชั้นไอน้ำเริ่มก่อตัวที่ผิวน้ำ อย่างไรก็ตาม ณ จุดใดๆ บนผิวน้ำ สภาวะอาจแกว่งไปมาระหว่างการเดือดแบบฟิล์มและการเดือดแบบนิวเคลียส แต่สัดส่วนของผิวน้ำทั้งหมดที่ถูกปกคลุมด้วยฟิล์มจะเพิ่มขึ้นตามความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากค่าการนำความร้อนของไอน้ำน้อยกว่าของของเหลวมากค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน แบบพาความร้อน และฟลักซ์ความร้อนจึงลดลงตามความแตกต่างของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

• การต้ม
• การเกิดโพรงอากาศ
• วิศวกรรมเคมี
• ฟิสิกส์ของไหล
• การถ่ายเทความร้อน
• ปรากฏการณ์ไลเดนฟรอสต์
• โซโนลูมิเนสเซนซ์